CN109099948B - 分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置和方法 - Google Patents

分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置和方法，将全分布式光纤应变检测系统与准分布式光纤应变检测系统相结合，对布里渊散射信号和光纤光栅回波信号进行实时处理和解调，将应变信息和具体位置在显示装置上显示出来。可实现对采空区地质沉降和地表裂缝的实时监测预警，对采空区地下管道是否受到外部应力的实时监测预警，并且可实现长距离的应变监测。具有本质安全，定位精度高，可靠性高，实时性好，全方位检测，提前获取应力危害预警信息的优点。

Description

分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置和方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体为一种基于全分布式和准分布式相结合的采空区分布式光纤地质沉降与管道应力危害全方位预警监测装置和方法。
背景技术
近年来，随着矿产资源的不断开采，在沿着矿山山脉的地下形成了错综复杂的采空区，地下矿层采空后会对原本的矿岩平衡造成不可逆的危害，采空区上方的岩土层将会发生移动变形，直到破坏坍塌。当出现采空区地质沉降塌陷时，地层变形将产生地裂缝和地面沉降，会直接作用到敷设在采空区的油气管道上，使管道受到较大的应变，严重时将导致管道发生形变位移，甚至扭曲损坏。而采空区具有隐蔽性较强、空间分布错综复杂无规律的特点。因此，对采空区进行地质沉降检测以及对处于采空区的管道应力危害进行检测预警，是十分必要的。
采空区地质沉降检测和管道应变检测的传统方法大多都布设困难，实时性差，局限性大，且无法实现数字化在线监测，故而急需一种可以实现数字化在线监测、对采空区的地质沉降和管道应力危害进行检测预警的装置。
基于分布式光纤传感技术的采空区地质沉降与管道应力危害全方位预警监测装置具有测量空间范围广、结构简单、布设容易、且不需要供电等优点，但也存在一些问题，传统的分布式应变传感装置大多都定位精度差，或无法对关键地质地段进行监测，或无法对整个采空区地质沉降和管道进行全方位的监测。
发明内容
本发明一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置和方法，其目的在于通过全分布式光纤和准分布式光纤传感系统的结合，对系统装置进行整体性优化，拓宽装置对应变数据解调和检测的范围，使该装置不仅可以对全分布式光纤进行应变检测，而且可以对准分布式光纤进行应变检测。采用现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)模块对不同分布式光纤中的信号进行解调和处理，来实现地质沉降的实时监测、地裂缝的大小和位置的实时监测，以及由于地质沉降导致的管道形变等应力危害的的实时监测，从而达到预警和监测的作用。
本发明提供了一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置，包括可调线宽激光光源模块、光隔离器、F-P滤波器、第一1x2光纤耦合器、第一光纤环形器、偏振控制器、数模转换器、第二1x2光纤耦合器、F-P标准具、光电探测模块、脉冲调制器、第三2x1光纤耦合器、光电探测器、电滤波放大模块、模数转换器、第一光滤波器、第一脉冲光放大器、微波扫频模块、FPGA数据采集模块、数据处理显示装置、第二脉冲光放大器、第二光滤波器、第二光纤环形器、MxN高速MEMS光开关；其中，可调线宽激光光源模块的端口A连接到光隔离器的输入端；光隔离器的输出端连接到F-P滤波器的输入端D；F-P滤波器的输出端E连接到第一1x2光纤耦合器的输入端；第一1x2光纤耦合器的输出端G连接第一光纤环形器的输入端a，第一光纤环形器的输出端b连接MxN高速MEMS光开关的输入端V；第一光纤环形器的输出端c连接光电探测模块的输入端K；第一1x2光纤耦合器的输出端H连接第二1x2光纤耦合器的输入端；第二1x2光纤耦合器的输出端I连接F-P标准具；第二1x2光纤耦合器的输出端J连接光电探测模块的输入端L；光电探测模块的输出端M连接模数转换器的输入端；模数转换器的输出端连接FPGA数据采集模块的输入端口R；FPGA数据采集模块的输出端口Q连接数模转换器的输入端，数模转换器的输出端连接F-P滤波器的输入端F。可调线宽激光光源模块的端口B连接偏振控制器的输入端，偏振控制器的输出端连接第三2x1光纤耦合器的输入端N；可调线宽激光光源模块的端口C连接脉冲调制器的输入端，脉冲调制器的输出端连接第二脉冲光放大器的输入端，第二脉冲光放大器的输出端连接第二光滤波器的输入端，第二光滤波器的输出端连接第二光纤环形器的输入端d，第二光纤环形器的输出端e连接MxN高速MEMS光开关的输入端W，第二光纤环形器的输出端f连接第一脉冲光放大器的输入端，第一脉冲光放大器的输出端连接第一光滤波器的输入端，第一光滤波器的输出端连接第三2x1光纤耦合器的输入端O；第三2x1光纤耦合器的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接电滤波放大模块的输入端，电滤波放大模块的输出端连接微波扫频模块的输入端，微波扫频模块的输出端连接FPGA数据采集模块的输入端P；FPGA数据采集模块的控制端口T连接MxN高速MEMS光开关的控制端口U。然后，MxN高速MEMS光开关的多输出端口X连接在地表铺设的地表埋地光缆、钻孔内布设的光纤光栅应力传感器以及地下管道铺设的管道顶部光缆、管道左侧光缆、管道右侧光缆；最后FPGA数据采集模块的输出端口S连接到数据处理显示装置，与数据处理显示装置进行数据交互。
其中，可调线宽激光光源模块用于进行多种线宽光信号的输出；MxN的高速MEMS光开关模块用于对多路光纤的监测；FPGA数据采集模块用于对多路光纤上应变信息的解调和相关处理，以及数字化实时监测。
其中，分布式光纤为全分布式光纤和准分布式光纤相结合。
此外，本发明提供了一种对分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置进行应力监测的方法，包括：在地面、钻孔以及地下管道表面同时铺设全分布式光纤和准分布式光纤，分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置通过对其中的光纤光栅反射信号和布里渊散射信号进行测量，计算出对应位置的应力变化值，实现对地质沉降的位置和位移大小、地裂缝的位置和地裂缝大小、管道应力危害的检测。
本发明一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置和方法，其优点和突出创新点如下：
一、结合了全分布式光纤传感系统和准分布式光纤传感系统的优点，可以同时对全分布式光纤和准分布式光纤中的应变和温度进行检测，从而解决应变与温度的交叉敏感问题，实现了对整个采空区的数字化在线监测；
二、系统装置本质安全，定位精度高，稳定性好，从纵向实现对地质沉降的位置和位移大小的检测，从横向实现对地裂缝的位置和地裂缝大小的检测，从纵横三个方向实现对管道形变应力的检测，最终实现对整体采空区的地质沉降和管道的全方位监测；
三、本发明装置使用FPGA数据采集模块实现了对不同光缆光纤中的应变信号的解调和相关处理，利用FPGA对数据高并行处理和低功耗的优势，以及MxN高速MEMS光开关的应用，实现了对全分布式光纤和准分布式光纤中应变的实时监测。
附图说明
图1为本发明所述分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置的结构示意图。
图2为本发明所述装置的具体实施示意图。
1、可调线宽激光光源模块 2、光隔离器 3、F-P滤波器 4、第一1x2光纤耦合器 5、第一光纤环形器 6、偏振控制器 7、数模转换器 8、第二1x2光纤耦合器 9、F-P标准具 10、光电探测模块 11、脉冲调制器 12、第三2x1光纤耦合器 13、光电探测器 14、电滤波放大模块 15、模数转换器 16、第一光滤波器 17、第一脉冲光放大器 18、微波扫频模块 19、FPGA数据采集模块 20、数据处理显示装置 21、第二脉冲光放大器 22、第二光滤波器 23、第二光纤环形器 24、MxN高速MEMS光开关 25、地表埋地光缆 26、定点光缆固定卡扣 27、地面28、钻孔 29、光纤光栅应力传感器 30、管道 31、管道顶部光缆 32、管道左侧光缆 33、管道右侧光缆 34、全分布式光纤应变定点光缆 35、准分布式光纤应变定点光缆 36、全分布式应变感测光缆 37、准分布式光纤温度传感光缆。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
附图1是本发明所述的一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置的结构示意图；图2为本发明所述分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置的具体实施方式示意图。
下面结合附图1和附图2进一步说明本发明一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置检测两种应变的工作原理和具体的工作过程：在地面监控中心按照附图1搭建本发明一种采空区分布式光纤地质沉降与管道应力危害全方位预警监测装置，在地面、钻孔和管道表面铺设和固定传感光缆，并且使用MxN高速MEMS光开关模块24将铺设光缆与装置进行连接。当在铺设光缆的某个位置发生较大幅度的地面沉降或者管道受到应力的时候，该采空区分布式光纤地质沉降与管道应力危害全方位预警监测装置可以将具体的监测位置和应变大小实时的传输到地面监控中心。由可调线宽激光光源模块1同时输出宽线宽激光和窄线宽激光：可调线宽激光光源模块1发射的宽线宽激光探测信号从其端口A输出，用来检测和解调准分布式光纤中发生的应变信息，然后注入到光隔离器2，光隔离器2可以阻止后方准分布式光纤反射回来的光进入光源损伤光源模块，光隔离器2输出光信号进入F-P滤波器3，由E端输出所产生的不同波长的光信号，进入第一1x2光纤耦合器4，第一1x2光纤耦合器4的H端口输出光功率占比为50％的参考光，第一1x2光纤耦合器4的H端口输出的光信号再经反向连接的第二1x2光纤耦合器8，第二1x2光纤耦合器I端输出光信号，输出到F-P标准具9，然后F-P标准具9反射回来的标准光信号再从J端输出，F-P标准具9反射回来的参考标准光信号经过光电探测模块10的L端输入；第一1x2光纤耦合器4的G端口输出光功率占比为50％的探测光，经过第一光纤环形器5从a端输入，b端输出，再经过MxN高速MEMS光开关24输出到传感光纤中，传感光纤产生的反射信号再经MxN高速MEMS光开关24和第一光纤环形器5从c端输出，经过光电探测模块10的K端输入。光电探测模块10把两路反射回来的光信号转换成电信号，再从M端输出，进入模数转换器15，把模拟电信号转换成数字信号后输入到FPGA数据采集模块19，进行数据采集和信号解调，最后传入数据处理显示装置20对数据进行进一步的处理，把相应的准分布式光纤中的应变数据在显示器中显示出来。可调线宽激光光源模块1从其端口B和端口C输出光功率占比为10：90的窄线宽激光信号，用来检测和解调全分布式光纤中发生的应变信息。其中端口B输出的本征参考光，进入偏振控制器6，使参考光的偏振态以一定速率随机变化，尽可能与返回的布里渊散射信号的偏振态匹配，减小散射信号幅度起伏。偏振控制器6输出的光信号从N端输入到第三2x1光纤耦合器12中；可调线宽激光光源模块1端口C输出的探测光首先进入脉冲调制器11，把连续的光信号调制成脉宽和周期一定的脉冲信号，然后经过第二脉冲光放大器21放大信号功率和第二光滤波器滤掉ASE噪声，从d端进入第二光纤环形器23，再从第二光纤环形器23的e端输出调制好的脉冲光信号，经过MxN高速MEMS光开关24注入到铺设的传感光纤中，最后将在全分布式光纤中散射回来的布里渊散射光信号再经MxN高速MEMS光开关24采集回来，从第二光纤环形器23的e端输入f端输出，经第一脉冲光放大器17和第一光滤波器16进行放大去噪，从O端输入到第三2x1光纤耦合器12中。进入分光比为50：50的第三2x1光纤耦合器12的两路光信号进行拍频混合，输出后进入光电探测器13，实现相干探测并将混合光信号转换成电信号，然后进入电滤波放大模块14对电信号进行进一步的信号处理，接着通过微波扫频模块18将电信号与微波源信号混合成为一条电信号，输入到FPGA数据采集模块19进行数据采集和信号解调，最后传入数据处理显示装置20对数据进行进一步的处理，把相应的全分布式光纤中的应变数据在显示器中显示出来。
在采空区的地表铺设的地表埋地光缆25由全分布式光纤应变定点光缆34和准分布式光纤应变定点光缆35构成，如附图2所示，定点光缆每隔1米定一个点，使用定点光缆固定卡扣26来固定，并进行拉伸校准，施加预应变；在采空区的重点监测位置打出钻孔28，将带有温度补偿的光纤光栅应变感测光缆封装成分段式光纤光栅应力传感器29垂直埋入到钻孔28内固定好，并使用松土填充钻孔28；在采空区的地下铺设的管道30表面按照附图2铺设光缆，即在管道的顶部、左侧和右侧分别铺设由全分布式应变感测光缆36和准分布式光纤温度传感光缆37构成的管道顶部光缆31、管道左侧光缆32和管道右侧光缆33，其中准分布式光纤温度传感光缆37使用定点式安装，和全分布式应变感测光缆36一起固定在管道上，这样通过对温度的测量对系统进行温度补偿，从而解决应变与温度的交叉敏感问题。
如附图1和附图2所示，当地表某位置因某种外力导致地裂缝时，地裂缝会拉伸预埋在地表的定点式光缆产生应变，该处的布里渊频移会发生变化，异常的光信号通过光开关传入地面监测中心的装置中之后解调出地裂缝的大小和位置并显示出来，从而达到在地裂缝还在较小的时候进行预警的作用，甚至当光缆被拉断的时候，由于该装置单端检测的优越性，该点的报警信息仍可以被解调出来；当采空区地下某段位置发生地质沉降的时候，布设在附近不同位置钻孔内的光纤光栅传感器同样也会感测到因地质沉降而产生的不同大小的拉伸应变，本发明装置将根据不同钻孔内的应变大小解调出发生地质沉降的具体起始和终止位置；当采空区地下因地质沉降导致管道产生自上而下的挤压形变时，固定在管道上方的光缆会与管道产生相同的形变，从而把产生的异常应变信息以光信号的形式反射回装置中，把具体的应变大小、位置及管道受力方式作出解调显示出来；相同的，当管道受到自左到右或者自右到左的挤压形变时，管道两侧的光缆同样可以将具体的异常光信号传输回装置中，从而进行解调和显示；当发生较大的地质沉降，且因地质沉降产生地裂缝以及管道受到应力危害时，由于该发明装置快速解调、多点检测以及高实时性的优点，仍可以将整个采空区地表、地下、管道各个不同位置的异常信息实时的显示出来，从而在管道还未发生较大的应变和损坏的时候实现预报警。
此外，本发明提供了一种对分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置进行应力监测的方法，包括：在地面、钻孔以及地下管道表面同时铺设全分布式光纤和准分布式光纤，分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置通过对其中的光纤光栅反射信号和布里渊散射信号进行测量，计算出对应位置的应力变化值，实现对地质沉降的位置和位移大小、地裂缝的位置和地裂缝大小、管道应力危害的检测。
区别于现有技术，本发明一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置和方法，其优点和突出创新点如下：
一、结合了全分布式光纤传感系统和准分布式光纤传感系统的优点，可以同时对全分布式光纤和准分布式光纤中的应变和温度进行检测，从而解决应变与温度的交叉敏感问题，实现了对整个采空区的数字化在线监测；
二、系统装置本质安全，定位精度高，稳定性好，从纵向实现对地质沉降的位置和位移大小的检测，从横向实现对地裂缝的位置和地裂缝大小的检测，从纵横三个方向实现对管道形变应力的检测，最终实现对整体采空区的地质沉降和管道的全方位监测；
三、本发明装置使用FPGA数据采集模块实现了对不同光缆光纤中的应变信号的解调和相关处理，利用FPGA对数据高并行处理和低功耗的优势，以及MxN高速MEMS光开关的应用，实现了对全分布式光纤和准分布式光纤中应变的实时监测。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置，其特征在于，包括：可调线宽激光光源模块（1）、光隔离器（2）、F-P滤波器（3）、第一1x2光纤耦合器（4）、第一光纤环形器（5）、偏振控制器（6）、数模转换器（7）、第二1x2光纤耦合器（8）、F-P标准具（9）、光电探测模块（10）、脉冲调制器（11）、第三2x1光纤耦合器（12）、光电探测器（13）、电滤波放大模块（14）、模数转换器（15）、第一光滤波器（16）、第一脉冲光放大器（17）、微波扫频模块（18）、FPGA数据采集模块（19）、数据处理显示装置（20）、第二脉冲光放大器（21）、第二光滤波器（22）、第二光纤环形器（23）和MxN高速MEMS光开关（24）；其中，可调线宽激光光源模块（1）的端口A连接到光隔离器（2）的输入端，光隔离器（2）的输出端连接到F-P滤波器（3）的输入端D；F-P滤波器（3）的输出端E连接到第一1x2光纤耦合器（4）的输入端；第一1x2光纤耦合器（4）的输出端G连接第一光纤环形器（5）的输入端a，第一光纤环形器（5）的输出端b连接MxN高速MEMS光开关（24）的输入端V；第一光纤环形器（5）的输出端c连接光电探测模块（10）的输入端K；第一1x2光纤耦合器（4）的输出端H连接第二1x2光纤耦合器（8）的输入端；第二1x2光纤耦合器（8）的输出端I连接F-P标准具（9）；第二1x2光纤耦合器（8）的输出端J连接光电探测模块（10）的输入端L；光电探测模块（10）的输出端M连接模数转换器（15）的输入端；模数转换器（15）的输出端连接FPGA数据采集模块（19）的输入端口R； FPGA数据采集模块（19）的输出端口Q连接数模转换器（7）的输入端，数模转换器（7）的输出端连接F-P滤波器（3）的输入端F；可调线宽激光光源模块（1）的端口B连接偏振控制器（6）的输入端，偏振控制器（6）的输出端连接第三2x1光纤耦合器（12）的输入端N；可调线宽激光光源模块（1）的端口C连接脉冲调制器（11）的输入端，脉冲调制器（11）的输出端连接第二脉冲光放大器（21）的输入端，第二脉冲光放大器（21）的输出端连接第二光滤波器（22）的输入端，第二光滤波器（22）的输出端连接第二光纤环形器（23）的输入端d，第二光纤环形器（23）的输出端e连接MxN高速MEMS光开关（24）的输入端W，第二光纤环形器（23）的输出端f连接第一脉冲光放大器（17）的输入端，第一脉冲光放大器（17）的输出端连接第一光滤波器（16）的输入端，第一光滤波器（16）的输出端连接第三2x1光纤耦合器（12）的输入端O；第三2x1光纤耦合器（12）的输出端连接光电探测器（13）的输入端，光电探测器（13）的输出端连接电滤波放大模块（14）的输入端，电滤波放大模块（14）的输出端连接微波扫频模块（18）的输入端，微波扫频模块（18）的输出端连接FPGA数据采集模块（19）的输入端P；FPGA数据采集模块（19）的控制端口T连接MxN高速MEMS光开关（24）的控制端口U，MxN高速MEMS光开关（24）的多输出端口X连接在地表铺设的地表埋地光缆（25）、钻孔（28）内布设的光纤光栅应力传感器（29）以及地下管道（30）铺设的管道顶部光缆（31）、管道左侧光缆（32）和管道右侧光缆（33）；最后FPGA数据采集模块（19）的输出端口S连接到数据处理显示装置（20），与数据处理显示装置进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置，其特征在于，可调线宽激光光源模块（1）用于进行多种线宽光信号的输出；所述MxN的高速MEMS光开关模块（24）用于对多路光纤的监测； FPGA数据采集模块（19）用于对多路光纤上应变信息的解调和相关处理，以及数字化实时监测。
3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置，其特征在于，所述分布式光纤为全分布式光纤和准分布式光纤相结合。
4.一种根据权利要求1至3任一项所述的分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置进行应力监测的方法，其特征在于，包括：
在地面、钻孔以及地下管道表面同时铺设全分布式光纤和准分布式光纤，分布式光纤地质沉降与管道应力危害预警监测装置通过对其中的光纤光栅反射信号和布里渊散射信号进行测量，计算出对应位置的应力变化值，实现对地质沉降的位置和位移大小、地裂缝的位置和地裂缝大小、管道应力危害的检测。
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